太空风化研究聚焦于分析微陨石撞击、宇宙辐射、太阳风粒子轰击与天体表面物质的相互作用，揭示这些过程和机理对于理解月球及其他无大气天体的外动力演化至关重要。钛铁矿是月球玄武岩的主要含钛矿物，是月球上原位制备铁、钛金属和氧气的理想材料，也是最富氢和氦-3的矿物。然而，目前对月球钛铁矿的精细结构以及太空风化响应机制并不清楚。近期，中国科学院地质与地球物理研究所的李金华研究员团队与张志刚研究员团队合作，综合先进的电子显微学和热力学计算等手段，以嫦娥五号返回月壤样品为对象，从微纳尺度到原子水平上深入解析了太阳风辐射和微陨石撞击两种不同太空风化过程对钛铁矿精细结构的改造作用，为理解太空风化作用过程及其矿物响应机制提供了新认识。
一、钛铁矿颗粒挑选
首先利用单颗粒显微操作技术，将嫦娥五号月球样品制备成单颗粒阵列。接着，使用µXRF技术对样品阵列进行了无损、无污染的快速扫描分析，获取了所有颗粒的化学元素组成及其分布图像（图1）。通过半定量谱学分析，研究团队挑选出了两个钛铁矿颗粒（P18和P19），为后续的详细分析提供了样本基础。
图1 利用μXRF挑选钛铁矿颗粒
二、结构和成分分析
为进一步展开分析，钛铁矿颗粒P18和P19经过转移、包埋和抛光处理后，结合扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束（FIB）切割技术和透射电子显微镜（TEM）观察，揭示了两种颗粒在结构和成分上的显著差异。P18颗粒主要经历了微陨石撞击，而P19颗粒则主要受到了太阳风辐射的作用。
受冲击作用的钛铁矿颗粒P18显示出从表面到内部的以下特征：富含Si、Ca、Al、Mg、Ti和Fe的撞击玻璃、由冲击变形引起的钛铁矿孪晶、含Si和Ca的脉络状微结构，以及带有裂缝的钛铁矿基体（图2）。这些特征表明该颗粒经历了熔体冲击作用，且熔体可能来源于微陨石撞击。尽管如此，在钛铁矿与冲击熔体接触的边缘未观察到新物相的形成，这可能是由于冲击力较小，未能促使钛铁矿发生物相转变。
图2 遭受过熔体冲击作用的钛铁矿颗粒（P18）的显微结构
相比之下，受到太阳风辐射作用的钛铁矿颗粒P19则呈现出不同的微结构特征：表面富含Si的非晶化沉积层、富含单质铁和钛氧化物的层、定向排列的缺陷（氦泡），以及仍保持良好结晶的钛铁矿基体（图3）。值得注意的是，本研究利用集成微分相衬扫描透射电子显微镜技术（iDPC-STEM），从原子尺度揭示了太阳风粒子注入导致的定向缺陷的化学和显微特征（图4）。由此可见，太阳风辐射不仅在钛铁矿中留下了物理径迹，还引发了钛铁矿的化学分异，促成了单质铁和钛氧化物（锐钛矿）的形成。
综上，受太阳风辐射影响的钛铁矿颗粒表面形成了新的物相，而冲击作用对钛铁矿颗粒的影响则主要表现为物理痕迹。
图3 遭受过太阳风辐射的钛铁矿颗粒（P19）的显微结构
图4 太阳风辐射引起的钛铁矿缺陷（氦泡）的化学成分与显微结构
三、热力学计算约束
为了进一步探讨太空风化作用中钛铁矿分解的机理，研究团队利用热力学模型对钛铁矿（FeTiO₃）的分解条件进行了计算（图4）。计算结果表明，太阳风辐射的低压环境有利于钛铁矿的分解，尤其是在氢（H）参与的还原反应下，该过程在较低温度下便能发生（778 K）。相比之下，冲击产生的高压环境则抑制了钛铁矿的分解，使其更难转化为单质铁。P18颗粒中与冲击效应相关的温度可能不足以引发钛铁矿的分解，因为钛铁矿的分解通常需要较高的温度（>1070 K）。
这些热力学计算结果表明，太阳风辐射对钛铁矿的影响较为显著，能够在较低的温度下导致钛铁矿的分解和物相变化，而撞击作用则较难引发钛铁矿的分解和转变。由此可见，太阳风辐射更有利于钛铁矿的转变，生成单质铁及其他钛氧化物等物相。
图4 钛铁矿分解（代表熔体冲击作用）和氢还原（代表太阳风辐射作用）的热力学计算结果
该研究发现冲击作用和太阳风辐射引起钛铁矿的系列差异显微结构，并建立相关的识别标志，揭示太阳风辐射更易导致钛铁矿的化学分解和物相转变，为阐释月球风化层的形成和原位月球资源利用提供了新的科学依据。
研究成果发表于国际学术期刊JGR: Planets（张朝群#，牛笑光#，谷立新，唐旭，陈意，蔡昌润，戴砚超，李根，何宏平，潘永信，张志刚*，李金华*，Atomic-level structural responses of Chang'e-5 ilmenite to space weathering [J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 129, e2024JE008447）。研究受国家自然科学基金项目（42225402, 42241105, 42202265, 42241152）、中国博士后面上项目（2023M733479）、中国科学院重点部署项目（ZDBS-SSW-JSC007-13）和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202101, IGGCAS-202204）共同资助。
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校对 | 万鹏